CN109791073A - 多光谱成像设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多光谱成像设备，包括：由像素矩阵组成的光敏探测器DET，复制该像素矩阵的微透镜ML1，ML2，ML3网，由复制该像素矩阵的基本滤光器λ1，λ2，λ3矩阵构成的滤光模块MF，该设备的特征在于微透镜网被直接布置为与探测器接触，滤光模块被制造在与微透镜网接触的基板上。

Description

多光谱成像设备
技术领域
本发明涉及一种多光谱成像设备。
背景技术
光谱分析特别旨在于研究在固态、液态或气态介质的组成中的化学成分。这涉及记录在该介质反射或透射时的吸收光谱。与其交互作用的光在某些波段被吸收。这一选择性吸收是一部分或所有介质成分的一个标记。待测光谱波长范围可以属于紫外线和/或可见光和/或(近、中、长)红外光。
这种分析经常借助光谱仪进行。
某些光谱仪使用至少一个法布里-珀罗(Fabry-Pérot)滤光器。
为了便于记忆，这样的滤光器是具有与被称为间隔膜(最常用的为英语术语“spacer”)的(通常是低折射率的如空气、二氧化硅、……)材料平行的面的薄片，该间隔膜出现在两面镜子之间。它通常通过真空薄层沉积来实现。因此，对于其通带以中心波长λ为中心的滤光器，第一个镜由m个高反射率材料H和低反射率材料B交替的光学厚度λ/4的层组成。该镜同样可以是半反射金属薄层。间隔膜通常由两个光学厚度λ/4的低反射率材料B层组成。通常第二个镜与第一个镜对称。间隔膜的几何厚度的改变使得可以将滤光器调谐到中心波长，为此光学厚度是λ/2的倍数。
一种已知技术依赖于包括要分析的逐个带的滤光器的滤光模块。如果带的数量是n，则n个带通滤光器因此通过n个独立的真空沉积制造来实现。因此，对于小型系列而言，成本非常重要(并且几乎与带的数量n成比例)并且仅对于足够大的系列才变得真正有意义。此外，在这里，小型化的可能性非常有限并且很难设想提供大量的滤光器。
最近研发的替代方案使用法布里-珀罗类型的滤光模块，两个镜不再平行，而是在垂直于基板的平面中对于轮廓布置成楔形。在标记为Oxy的该平面中，轴Ox和Oy分别共线并垂直于基板，间隔膜沿Oy的厚度根据它被测量的沿Ox的位置而线性变化。
文献US 2006/0209413教导了包括这种滤光模块的光谱学设备。因此其中调谐波长沿着Ox轴连续变化。
这些不同的技术用于当研究一个连续光谱时分析具有良好的光谱分辨率的对象。
它们同样非常适用于有限数量的相对精细的通带(即与连续光谱相对的离散光谱)足以标识所研究的成分的情况。
但是，它们认为要分析的对象是不可分割的实体，也就是说，在空间上不可分解的，并且它们无法识别对象本身内的光学透射或反射变化。
因此，文献FR 2 904 432教导了一种光学滤光矩阵结构和相关的图像传感器。这是为了获得不同的颜色。事实上，从可见光谱中取出的三种基本颜色(红色，绿色，蓝色)出发，可以重建大部分颜色。
在当前情况下，在探测器矩阵的表面上使用滤光器矩阵。滤光器矩阵在这里是所谓的“拜耳”矩阵，但这对于本发明无关紧要。探测器矩阵是称为APS CMOS(“Active PixelSensor Complementary Metal Oxide Semiconductor(有源像素传感器互补金属氧化物半导体)”英文术语)的矩阵。该矩阵被安装在半导体基板上，其表面上布置有光敏区域、电子电路和电连接。
在一个基本像素上，光敏区仅代表整个表面的一部分，表面的其余部分由控制电子装置占据。因此需要提供微透镜，每个像素一个，以将入射光聚焦在像素的光敏区域上。滤光器矩阵布置成与探测器接触，使得成套组件呈现为由探测器-滤光器-微透镜堆叠组成的单一组件。
事实上，由于这些微透镜的拓扑特别加标记的(très marqué)，所以不可能将滤光器矩阵沉积在微透镜上。此外，微透镜是树脂的，因此似乎难以在有机材料上实现无机的滤光器。
或者当滤光器布置在微透镜下方时，在滤光器上入射光束的角的开度很大。滤光器的响应与该入射角非常相关。这导致光谱响应的变化。
在这方面，文献US2014/0268146教导了一种具有集成带通滤光器的微透镜网，探测器被附接到该网上。此外，微透镜网和探测器之间有一个偏向器。
为了避免滤光器上的角度入射问题，我们可以考虑去除微透镜。然而，参照像素的总面积，光敏区域呈现一个缩减的面积。微透镜带来的灵敏度增益约为50％。因此，通过去除微透镜而失去灵敏度似乎是不合适的。
此外还应该提到的是，这种组件的生产效率相对较低。总效率基本上等于以下三种效率的乘积：
-传感器的生产，
-滤光器矩阵的生产，
-微透镜网的生产。
结果，通过这些生产操作相乘，总效率相应地降低。
发明内容
因此本发明目的在于一种不具有上述限制的多光谱成像设备。
根据本发明，多光谱成像设备包括：
-由像素矩阵形成的光敏探测器，
-复制这个像素矩阵的微透镜网，
-由复制该像素矩阵的基本滤光器矩阵形成的滤光模块，
该设备的显著之处在于，微透镜网被直接布置成与探测器接触，滤光模块在与微透镜网接触的基板上实现。
将滤光器布置在微透镜上方是有利的，以避免与这些滤光器上的入射角有关的问题。
通过保留微透镜，保留了设备的灵敏度。
关于生产效率，根据本发明的设备具有不可否认的优点。事实上可以对滤光模块进行拣选以将它们与也被拣选的探测器相关联。
另一方面，在选择滤光模块和探测器配置时有很大的灵活性。可以使滤光适应大数量的探测器，以赋予成像装置的特定特征：分辨率，灵敏度，噪声......
有利的是，滤光模块在其周边粘附到探测器上。
滤光器模块和探测器之间没有胶水，不是粘在整个表面上。
该解决方案的第一个优点在于保留了微透镜的光学功能，这确保了光敏区的光通量的50％的增益。滤光器模块和微透镜之间胶的存在大大降低了后者的效率因为胶的折射率接近于透镜的折射率。
该解决方案的第二个优点是，由于滤光器模块和探测器之间不可避免的气隙而产生的干涉条纹比存在胶时的对比程度要小得多(大约小10倍)。
根据另一附加特征，滤光器模块设置有排成行的图案。
根据一种优选实施例，滤光模块由两个被间隔膜隔开的镜组成，该滤光模块包括多个滤光单元，每个滤光单元包括至少两个滤光器。
优选地，至少一个滤光器具有带通透射功能。
根据一种特定布置，至少一些滤光器在第一条带中排成行。
同样地，至少一些滤光器在与第一条带平行且不相交的第二条带中排成行。
有利地，至少两个相邻的滤光器由串扰屏障隔开。
根据一个附加特征，探测器以CMOS技术集成。
可选地，至少一个滤光器是全色的。
采用光谱宽带滤光器的优点是它可以在图像上提供光度参考。该光谱带上的积分通量级等于“颜色”带中包含的通量。这避免了全色像素的相邻像素的错乱。
附图说明
现在，在以下参考附图通过说明给出的示例性实施例的描述的上下文中，本发明将会更加清楚，附图如下所述：
-图1是一维滤光单元的原理图，更具体地说：
-图1a是该单元的俯视图，且
-图1b，该单元的截面图；
-图2a至2c，滤光模块的第一实施例的三个步骤；
-图3a至3f，该滤光模块的第二实施例的六个步骤；
-图4是二维滤光模块的原理图；
-图5是配备屏蔽格栅的具有64个滤光器的滤光模块的示意图；
-图6是滤光模块的示意图，其中每个单元包括9个滤光器；
-图7是根据本发明的设备的截面图。
多个图中的元件被赋予单个相同的编号。
具体实施方式
首先描述包括多个通常相同的滤光单元的滤光模块。
参考图1a和1b，滤光单元包括连续排列以使其形成条带的三个法布里-珀罗型干涉滤光器FP1，FP2，FP3。
该单元由在基板SUB(例如玻璃或二氧化硅的)上第一镜M1、间隔膜SP和第二镜MIR2的堆叠组成。
限定每个滤光器的中心波长的间隔膜SP对于给定的滤光器因此是恒定的并且从一个滤光器到另一个滤光器变化。其轮廓具有阶梯状，因为每个滤光器具有明显矩形的表面。
以示例的方式给出了薄膜技术滤光模块的第一种实施方法。
参考图2a，首先将第一镜MIR1沉积在基板SUB上，而后沉积的是用于限定间隔膜SP的一个介电层或一组介电层TF。该镜是金属的或介电的。
参考图2b，该介电TF被蚀刻：
-首先在第二滤光器FP2和第三滤光器FP3处进行蚀刻以定义间隔膜SP在第二滤光器FP2处的厚度，
-其次在第三滤光器FP3处进行蚀刻以在该处限定该膜的厚度。
第一滤光器FP1处的间隔膜SP具有沉积物的厚度。
参照图2c，第二镜MIR2沉积在间隔隔膜SP上以完成三个滤光器。
间隔膜SP可以通过沉积电介质TF然后如上所述的连续蚀刻来获得，但是它同样可以通过多个连续的薄层沉积来获得。
举例来说，通过将间隔膜的光学厚度从1.4λ0/2修改为2.6λ0/2(对于λ0＝900nm且n＝1.45，而e在217nm和403nm之间变化)，可以扫描800至1000nm的波长范围。
这里应该注意，间隔膜的厚度必须足够小，以便在待探测的区域中仅获得透射波段。实际上，该厚度越大，满足条件[ne＝kλ/2]的波长数量越多。
现在公开制造滤光模块的第二种方法。
参考图3a，首先在硅基板的下表面OX1和上表面OX2上进行SIL硅基板的热氧化。
参考图3b，基板的下表面OX1和上表面OX2被分别覆盖光敏树脂的下层PHR1和上层PHR2。然后，通过光刻在下层PHR1中形成矩形开口。
参考图3c，下表面OX1的热氧化物与下层PHR1中形成的矩形开口相对地被蚀刻。然后下层PHR1和上层PHR2被移除。
参考图3d，与矩形开口相对地执行基板SIL的各向异性蚀刻(例如结晶取向1-0-0)，下表面OX1的热氧化物用作掩模并且上表面OX2的热氧化物用作蚀刻停止层。可以是借助于氢氧化钾(KOH)或四甲基氢氧化铵(TMAH)溶液的湿法蚀刻或等离子体干法蚀刻。从该操作得出，仅有氧化膜保留在矩形开口的底部。
参考图3e，该氧化物被蚀刻：
-首先在第二滤光器FP2和第三滤光器FP3处被蚀刻以限定第二FP2滤光器处间隔膜SP的厚度，
-其次在第三滤光器FP3处被蚀刻以便在该处限定该膜SP的厚度。
参考图3f，第一镜M1和第二镜M2沉积在基板SIL的下表面OX1和上表面OX2上。
可选地，可以通过在下表面OX1和上表面OX2面中的一个和/或另一个上沉积钝化层(未示出)来完成滤光器模块的制作。
本发明因此使得可以实现一组排成行的滤光器，这些滤光器因此可以在一维空间中被编号。
参考图4，本发明还使得可以在二维空间中组织滤光单元。这种组织通常被称为矩阵。
四个相同的水平带各自包括四个单元。第一条带，它出现在图的顶部，对应于矩阵的第一行并且包括单元IF11至IF14。第二、第三和第四条带分别包括单元IF21至IF24、滤光器IF31至IF34、单元IF41至IF44。
该组织称为矩阵，因为单元IFjk属于第j个水平带，也属于第k个垂直带，其包括单元IF1k，IF2k，IF4k。
参考图5，期望将滤光模块的不同滤光器分离以避免滤光器部分重叠在与其相邻的滤光器上并最小化可能的串扰问题。为此，可以在滤光模块上添加栅格(图中的黑色)，其构成串扰屏障以为所有滤光器规定界限。这个栅格将具吸收功能。例如，吸收栅格可以通过沉积和蚀刻黑铬(铬+氧化铬)制成，而反射栅格可以通过沉积和蚀刻铬来实现。
参考图6，每个滤光单元此后包括9个滤光器。这些单元每个都呈现正方形其中每个滤光器适合于调谐到不同的波长λ1，λ2，λ3，λ4，...，λ9。
在该图中，为了清楚起见，相对于两个滤光器之间的间隔，单元之间的间隔已经故意增加。当然，实际上，这些间隔是相同的。
滤光模块因此都与测量由不同滤光器产生的光通量的探测器相关联。该探测器因此由多个隔室组成。
参考图7，给出了如图6所示的MF滤光模块。
DET探测器采用CMOS技术在硅基板SS上实现。在每个方形隔室CP1，CP2，CP3的中心示出光敏区PS1，PS2，PS3。
在每个隔室CP1，CP2，CP3上方示出微透镜ML1，ML2，ML3，其直径等于隔室的边。
滤光模块MF被倚靠在微透镜ML1，ML2，ML3网上，使得滤光器λ1，λ2，λ3与微透镜ML1，ML2，ML3相对。
该MF模块的定位通过图案对准来完成，图案对准是技术人员在光刻中已知的技术，其将不再展开描述。
滤光模块MF借助胶条ST固定在探测器DET上。
为了规定这些构思，像素目前将被精确到具有大约5微米的尺寸。
上面提出的本发明的实施例是鉴于它们的具体特征而选择的。然而不可能详尽地列出本发明所涵盖的所有实施例。特别地，在不脱离本发明的范围的情况下，所描述的任何设备可以由等同的设备代替。

Claims (10)

1.一种多光谱成像设备，包括：
-由像素矩阵组成的光敏探测器(DET)，
-复制该像素矩阵的微透镜(ML1，ML2，ML3)网，
-由复制该像素矩阵的基本滤光器(λ1，λ2，λ3)矩阵构成的一个滤光模块(MF)，
其特征在于，微透镜网被直接布置为与探测器接触，所述滤光模块被实现在与所述微透镜网接触的基板上。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述滤光模块(MF)在其周边被粘胶到所述探测器(DET)上。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的设备，其特征在于所述滤光模块(MF)配备有排成行的图案。
4.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述滤光模块(MF)由被间隔膜(SP)隔开的两个镜(MIR1，MIR2；M1，M2)构成，该滤光模块包括多个滤光单元(IF11，IF12，...，IF44)，所述滤光单元各自包括至少两个滤光器(FP1，FP2)。
5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于所述滤光器(FP1，FP2，FP3)中的至少一个具有通带透射功能。
6.根据权利要求4或5中任一项所述的设备，其特征在于至少一些所述滤光单元(IF11，IF12，IF13，IF14)在第一条带中被排成行。
7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于至少一些所述滤光单元(IF21-IF24)在与第一条带平行且不相交的第二条带中被排成行。
8.根据权利要求4至7中任一项所述的设备，其特征在于至少两个彼此相邻的所述滤光器(FP1，FP2，FP3)中被串扰屏障隔开。
9.根据权利要求4至8中任一项所述的设备，其特征在于所述滤光器(FP1，FP2，FP3)中的至少一个是全色的。
10.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于所述探测器(DET)以CMOS技术被集成。
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